风力发电机齿轮传动系统及动力可靠性概率优化设计

浅述风电主齿轮箱传动形式和轴承布置

风电主齿轮箱是将风力发电机产生的机械能转化为电能的重要装置之一，其传动形式和轴承布置在整个系统的性能和可靠性方面起着重要作用。以下将对风电主齿轮箱传动形式和轴承布置进行深入浅出的阐述。

一、传动形式

风电主齿轮箱的传动形式一般分为两种：直驱式和间接驱动式。

1.直驱式传动形式

直驱式传动形式是指风力发电生成系统中的风力机叶片直接连接齿轮箱，由齿轮箱直接驱动发电机转子旋转，实现将机械能转化为电能的过程。

直驱式传动形式的特点是传动效率高、结构简单、成本相对较低。但由于叶片和齿轮箱相连，所以风力机的转速直接受到叶片转速的限制，使得整个系统的功率输出不灵活，容易受到传动装置的振动和冲击加载。因此，直驱式传动形式在大型风力发电机中很少使用。

2.间接驱动式传动形式

间接驱动式传动形式是指风力机叶片通过主轴与齿轮箱相连，齿轮箱再通过发电机转子的轴与发电机相连的传动方式。

间接驱动式传动形式的特点是转速范围广、功率输出稳定、适应性强。由于通过主轴连接，可以使风力机叶片的转速与齿轮箱的转速脱离，提高了整个系统的灵活性和可靠性。同时，通过合理设计齿轮轴承和减速器，可以将高速低扭矩的风力机叶片输出的动力转变为低速高扭矩的发电机所需要的动力，实现了发电机的高效运行。因此，间接驱动式传动形式在现代风力发电系统中得到了广泛应用。 二、轴承布置

风电主齿轮箱中的轴承布置是指在齿轮箱中各个轴承的位置和数量以及其承载能力的安排。合理的轴承布置能有效提高齿轮箱的传动效率和整体运行效果。

一般来说，风电主齿轮箱的轴承布置可以分为四个部分：输入轴承、中间轴承、输出轴承和其他轴承。

1.输入轴承的作用是承受风力机传动系统输入的扭矩，并保证输入轴与齿轮磨损减小，传递更高效率。

2.中间轴承的作用是支撑整个齿轮箱中的齿轮和轴的运动，同时承受中间齿轮组的扭矩，并保证其转动平稳、可靠。

3.输出轴承的作用是承受整个齿轮箱输出轴的扭矩和载荷，同时使输出轴转动平稳。

风机齿轮箱工作原理

风机齿轮箱工作原理主要通过齿轮传动来实现风机的转速调节和能量变换。风机齿轮箱通常由主轴、输入轴、输出轴和一系列齿轮组成。

当风力发电机启动时，风能通过风轮转动，风轮与主轴相连，主轴会带动输入轴一起旋转。输入轴连接着一个或多个初始化齿轮，这些齿轮被称为主动轮。主动轮的齿数会根据设计要求和所需的转矩传递率来确定。

当输入轴旋转时，主动轮上的齿轮也开始旋转，传递动力到齿轮箱中的动力轮。动力轮一般位于输入轴之后，与输入轴相连，并连接到输出轴。动力轮上的齿轮被称为从动轮，其齿数和主动轮的齿数相互匹配，以实现所需的转速比。

通过齿轮传动的方式，输入轴的旋转速度被增大或减小，从而实现了风能转化为机械能的过程。输出轴上的旋转速度和转矩会根据齿轮的传动比例而相应改变，最终将机械能输出给风力发电机的转子，驱动发电机产生电能。

齿轮箱还通常包括润滑系统以确保齿轮的正常运转，同时还有一些辅助设备如轴承、密封件等，以保证齿轮箱的稳定性和可靠性。

总之，风机齿轮箱通过齿轮传动实现了风能与机械能的转换，为风力发电系统提供了可靠的功率输出。

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32020年第11期关于风电齿轮箱的设计技术分析刘桂然（国电联合动力技术有限公司风电设备及控制国家重点实验室，北京 100039）摘 要：随着社会经济的快速发展，我国每年所耗费的能源数量快速上升，这也造成了全国范围内能源紧缺现象。当前人们逐渐重视对可持续资源的开发利用，使得近些年来风力发电技术迅猛发展。在风力发电技术中，水平轴风力发电机是最为重要的一个技术环节，但是由于风电齿轮箱在运行中故障率较高，因此风力齿轮箱设计与制造技术一直都是困扰我国风电行业发展的瓶颈之一。本文主要结合当前大型风电齿轮箱的发展现状及发展趋势，探讨了现阶段大型风电齿轮箱出现的问题及研究现状，最后结合实际情况阐述了大型风电齿轮箱载荷分析及处理措施。关键词：风电齿轮箱；设计：关键技术1 大型风电齿轮箱的发展现状及趋势到2018年底，中国、荷兰、德国、丹麦等国的风电设备累计装机容量位居全球前列。可见，风能产业是中国迅速发展的新兴产业，而且中国拥有非常丰富的风能资源。相关调查研究表明，中国已有约32.26亿千瓦的风能累计储量，可供利用的风能资源达10.7亿千瓦，中国拥有的风能开发潜力巨大，目前中国已有40家企业进入风能生产和零部件制造领域。中国政府及相关部门通过技术引进及自主开发等多种发展模式，使中国风能设备制造产业链已逐渐形成，形成了集齿轮箱、叶片机、偏航系统、钢结构构件等零部件制造和主机制造为一体的完整产业链。这使得我国风力设备制造产业链已经逐步形成集齿轮箱、叶片机、偏航系统、钢结构部件等零部件制造和主机生产的能力。大型风电齿轮箱主要具有的结构有两种，包括水平轴风力机和垂直轴风力机，当前在我国风力发电市场上主要应用水平轴发电机。一般情况下，风力机可运行20多年，而且风力机还可承受各种极端天气和复杂的风荷载，但风力机也经常因风力机齿轮箱故障而导致整个机组运行瘫痪。举例来说，丹麦的micon发生了数千起质量问题的齿轮更换事故。而在风力发电设备中，齿轮是一个非常重要的机械部件，主要通过风轮将风力动力传递给发电机，使发电机内轴承的转动得到改善，但是，由于风轮的转动速度较低，齿轮箱应该通过辅助齿轮的转动速度来改善发电机轴承的转动速度。通过对中国目前发展的装备的总体结构要求进行分析，发现风轮驱动轴直接连接到齿轮箱，使用时需要通过膨胀调节装置或轻率对接连接，通常是通过在齿轮箱的输入或输出端安装制动器，通过制动器和叶片的联合作用使机械设备的传动系统制动。根据相关信息，在今后几年，我国将会大力发展大型风电机组，并实现大型风电发电机组核心技术自主化的目标。2006年6月，重庆齿轮箱有限责任公司研制成功国内第一台1.5MW风电齿轮箱。2007年6月初，该厂研制生产的国内最大的兆瓦级风电齿轮箱FL2000顺利通过了各项技术指标测试和型式试验，成功交付用户使用。2 大型风电齿轮箱载荷技术分析2.1 大型风电齿轮箱的载荷谱大型风电齿轮箱的负荷光谱主要是指风力机在各种运行状况下进行的随机负荷的实测和实时记录。通过改变记录的负荷大小和负荷发生频率，以一种图像或数学公式的方式进行表示，便可以称之为载荷谱，通过对载荷谱进行分析便可以判断风电齿轮箱的强度可靠性及风电齿轮箱在应用中的预期寿命。我国在对齿轮箱承载能力进行计算的过程中，主要采用的kissoft和Romax均为国际通用软件，虽然可以提供较为精准的计算结果，但是却缺少了核心自主的软件，使得在科研领域受制于人。而我国大型风电齿轮箱大多采用一级行星传动和两级平行轴传动结构。目前，对大型风力发电机组齿轮箱的载荷谱进行测量，可以采用计数法、谱分析法等技术进行，通常载荷谱的特征呈现出最大值和最小值不会随着时间的变化而发生变化，技术人员便可以通过载荷谱用于材料疲劳性实验。负载谱反映了叶轮上的疲劳负荷，主要取决于多方面的因素，技术人员需要确定疲劳破坏的主要部位，收集随机数据，通过压缩负载时间的过程来对齿轮箱荷载进行计算和统计，确保载荷谱具备典型性、集中性和概括性，以更好地推断出风电齿轮箱的疲劳寿命。2.2 大型风电齿轮箱的载荷分类发电机的发展速度非常慢，因为不能满足要求的旋转速度，必须通过齿轮箱齿轮副来增速，因此，该齿轮箱又称加速箱，根据机器设备的整体布置要求，有时还将与风轮轮毂直接连接的传动轴（通常称为大轴）与齿轮箱合二为一的情况，也有将大轴和齿轮箱分开布置的情况。为改善制动器的制动性能，在齿轮箱的科技·经济·市场技术平台

圜　口团团四　兆瓦级风力发电机增速器齿轮传动受力分析　张小宾．葛宰林，张万峰　大连交通大学机械工程学院，辽宁大连１Ｉ６０２８　

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